玻璃窑炉使用后氧化铝大碹砖的分析研究

2022-05-27张同剑李志军李笃斌宁国强王仕龙

山东陶瓷 2022年1期

张同剑,李志军,李笃斌,宁国强,王仕龙,魏坤,李鹏

(淄博艾杰旭刚玉材料有限公司,山东淄博 255200)

氧化铝砖因具有对玻璃液低污染的特性而被广泛应用于玻璃窑炉工作池、料道等温度较低的区域。随着全氧燃烧技术的推广,氧化铝砖越来越多地应用于大碹部位[1],经验等[2]介绍了氧化铝大碹的使用情况,武丽华等[3]研究了氧化铝大碹使用后可能出现的变化,但对于使用后氧化铝大碹砖的变化情况未见相关报道,需要进行分析研究,以期延长窑炉使用寿命。

1 样品选择、取样位置及项目分析

1.1 样品选择

选取某全氧燃烧光伏玻璃窑炉使用5 年后的大碹砖,从大碹第2、3、4区分别选取一块有代表性的氧化铝大碹砖,碹砖厚度为335 mm、上端宽度为360 mm、长度810 mm 的普通浇铸产品。从大碹砖样品外观看,第2、3区样品大碹砖炉内面发蓝,第4区样品大碹砖表面无明显变化。从外观结构看,第2、3区(图1、图2)样品表面有颗粒脱落,第4区(图3)样品表面无脱落现象,各段样品均有变质层存在。

图1 第2区样砖

图2 第3区样砖

图3 第4区样砖

1.2 取样位置

首先,如图4中所示,将样品大碹砖沿宽度居中切断。其次,如图5所示,在长度中心左右各50 mm 处,与炉内面距离分别为20 mm,60 mm,110 mm 位置进行钻孔,取得的分析样品是直径30 mm、长度约170 mm 的圆柱体销子。最后,在宽度中心位置沿炉内面向炉外面方向垂直钻取直径30 mm、长度100 mm 的圆柱体销子。

图4 样砖加工方式

图5 销子位置

1.3 项目分析

在距离炉内面20 mm、60 mm、110 mm 处钻取的长度170 mm 销子进行体积密度与化学成分分析(一侧销子分析,另一侧备用),其中0~30 mm 进行体积密度和气孔率分析,30~50 mm 进行化学成分分析。将从中心线位置钻取的100 mm 销子按照20 mm 距离均分为5段进行显微组织结构分析,化学成分采用RIX2100 Pri musⅡZSX100e荧光分析仪进行分析,显气孔率、体积密度的分析按照GB/T 2998－2015标准进行。分析位置及内容示意图如图6、图7所示。

图6 体积密度、气孔率分析部位

图7 显微结构分析部位

2 结果分析

2.1 体积密度、显气孔率分析

从结果看,2区距炉内面20 mm 位置处体积密度最高,显气孔率最低;3区与4区相同位置的体积密度大小近似,但3 区气孔率数值是最高的,这与外观观察结果相符合,具体数值见表1。

表1 不同区域、不同位置的体积密度、显气孔率分析结果

2.2 化学成分分析

不同区域、不同位置的化学成分分析记过见表2。从表2 的数据可以看出:2 区样品Si O2含量最高,3、4 区样品基本一致。2 区样品Si O2含量随着与炉内面距离的增加而减少,3区样品则是先增加后减少,4 区样品则是先减少后略有增加。从Na2O 含量来看,2 区样品Na2O 含量最低,4 区样品Na2O 含量最高,近似产品正常组分;2 区Na2O 含量随着与炉内面距离的增加先增后减,3、4 区样品Na2O 含量则逐渐增加。

表2 不同区域、不同位置的化学成分(质量分数) 单位:%

2.3 显微结构分析

对各区样品的显微结构进行分析,得到结论如下:

(1)2区距离炉内面0~65 mm 区域为变质层,3区0~71 mm 内为变质层,4区0~19 mm为变质层,其中的β-刚玉转变为α-刚玉,其余区域为α-刚玉与β-刚玉共存。

(2)各区α-刚玉、β-刚玉结晶共存区域内,晶体间的玻璃相增多,主要含Na2O、Mg O、Al2O3、Si O2、Ca O 和Ti O2。

(3)各区Al2O3、Si O2、Ca O 和Ti O2渗入厚度等同于变质层厚度。

随着距离炉内面距离的增加,样品的显微结构出现了明显的变化。如图6所示,以2区为例,在距离炉内面0~20 mm 位置为典型的α-刚玉相,随着深度的增加,逐渐变为图7中所示的α-刚玉、β-刚玉相共存,接近于产品未使用前的状态。3区、4区情况类似。

图6 2区0~20 mm 显微结构

图7 2区80~100 mm 显微结构

3 原因探讨

该窑炉加料口处大碹为AZS制品,2、3、4区大碹为氧化铝制品。2区较靠近加料口,因此成分中Si O2含量较高,Na2O 含量较低。3区为热点区域,温度最高,因此3区表面剥落程度最为严重,变质层深度最大,变质的主要原因是因为β-刚玉失去Na2O 后变成了颗粒状的α-刚玉[3]。4区因为靠近熔化末端,温度较低,因此表面几乎无变化,成分与原砖也较为相似。大碹表面的剥落会使整体结构稳定性变差,导致使用的安全性下降,再次使用的危险性较高。提高耐剥落性对于确保大碹的安全使用非常必要,淄博艾杰旭刚玉材料有限公司推出了牌号为MB-C 的新型氧化铝大碹砖,该产品将氧化铝砖中α-刚玉相的含量提高到75%左右,具有更好的耐剥落性,更有利于大碹砖的安全使用。